Campi Elettrici Pulsati
Campi Elettrici Pulsati
PEF – Pulsed Electric Fields
PEF: cosa sono i Campi Elettrici Pulsati
L’utilizzo della corrente elettrica continua o alternata è un’applicazione utilizzata fin dal secolo scorso per riscaldare alimenti ed inattivare microrganismi.
Già intorno agli anni 50, in seguito alla scoperta del fenomeno dell’elettroporazione, i ricercatori iniziarono a valutare la possibilità di applicare campi elettrici pulsati PEF al settore alimentare.
I PEF (Pulsed Electric Fields), come le alte pressioni (HPP), il plasma freddo e altre tecnologie, sono delle “non thermal technology”. La tecnologia PEF consiste nell’applicazione di impulsi elettrici ad alta tensione (20-80 kV/cm) e di breve durata, generalmente dell’ordine di micro o nanosecondi, a tessuti biologici posti tra due elettrodi.
Uno dei parametri fondamentali della tecnologia PEF è rappresentato dall’intensità del campo elettrico applicato. Sebbene non esista una definizione ufficiale, in linea di principio, i campi elettrici inferiori a 0.1 kV/cm vengono considerati campi elettrici a bassa intensità. I campi elettrici tra 0.1 e 1 kV/cm sono di intensità moderata e quelli superiori a 1 kV/cm ad alta intensità.
Gli Impianti per il trattamento con PEF sono costituiti da due parti fondamentali:
- un generatore di impulsi
- una camera dove viene effettuato il trattamento (nel caso si impianti in grado di trattare prodotti pompabili, e di lavorare in continuo, la camera può essere definita come cella di trattamento).
Nella camera o nella cella di trattamento si possono posizionare gli elettrodi in differenti modi: paralleli, coassiali, o collineari. Il generatore a sua volta può produrre impulsi mono o bipolari, ad onda quadrata, (la più efficace), o esponenziale e di intensità, durata e frequenza modulabili.
L’elettroporazione cellulare
Sono stati proposti due meccanismi per la modalità di azione del PEF sulla membrana microbica: l’elettroporazione e la scomposizione elettrica. Tuttavia, entrambi i meccanismi si riferiscono ad un unico fenomeno che inizia con l’elettroporazione e, conseguente rottura elettrica, attraverso la quale la parete e/o la membrana cellulare è perforata con conseguente fuoriuscita dei contenuti citoplasmatici e morte cellulare.
L’elettroporazione infatti, permette di creare dei “pori” nella membrana cellulare con conseguente danno cellulare. In base ai parametri del campo elettrico applicato, può essere:
- reversibile (RE): ciò significa che dopo un certo tempo le cellule tornano nel loro stato iniziale
- irreversibile (IRE): ossia le cellule permangono nel loro stato di permeabilità alterata (Fig. 1)
Figura 1: Diagramma della rottura reversibile e irreversibile della membrana (Zimmermann 1986)
L’applicazione di campi elettrici pulsati (PEF) a cellule viventi causa infatti l’aumento transitorio della differenza di potenziale della membrana. Viene così modificata l’organizzazione plasmatica e viene determinato localmente uno stato di permeabilizzazione temporaneo o permanente, con conseguente movimento di cariche tra i vari comparti cellulari.
L’applicazione di un campo elettrico esterno può far aumentare il potenziale di membrana delle cellule fino ad un livello critico. Ciò può essere causa di cambiamenti locali della struttura della membrana con l’apertura di pori e questo si riflette in un grande cambiamento della conduttività delle membrane cellulari e, di conseguenza, dei tessuti o delle cellule in sospensione.
La teoria dell’elettroporazione suggerisce che l’effetto principale di un campo elettrico sulle cellule microbiche sia quello di aumentare la permeabilità della membrana. L’inattivazione della cellula deriverebbe dallo squilibrio osmotico che si viene a creare attraverso la membrana cellulare.
Quando la cellula è esposta a un campo elettrico, le cariche libere generate sulla superficie della membrana sono attratte l’una all’altra. Ciò è dato dalla differenza nei segni (- e +) che provoca una compressione che determina una riduzione dello spessore della membrana (Fig. 2b). L’aumento dell’intensità del campo causa un maggior accumulo di cariche superficiali, con conseguente maggiore sforzo elettromeccanico e la rottura reversibile della membrana (Fig. 2c). Lo spessore della membrana diminuisce aumentando l’intensità del campo che, alla fine, produce una rottura irreversibile creando dei pori più grandi nella membrana (Fig. 2d).
Figura 2: Diagramma della rottura reversibile e irreversibile di una cellula microbica rappresentando la compressione quando esposta ad un campo elettrico. (Zimmermann 1986)
Se l’area dei pori rispetto alla superficie della membrana è più grande, si verifica una rottura irreversibile nella membrana che porta alla distruzione totale della cellula. Nelle cellule grandi il potenziale indotto è maggiore e le rende più vulnerabili ai danni rispetto alle cellule più piccole.
Lo squilibrio osmotico è una teoria attraverso cui si descrive l’elettroporazione e la rottura elettrica. La figura 3 indica i vari stadi di elettroporazione per osmosi di una membrana cellulare in cui, le frecce rosse indicano l’intensità di campo e i punti le molecole di acqua.
Figura 3: Stadi di elettroporazione per osmosi di una membrana cellulare (Tsong 1990)
I PEF e le tecnologie alimentari
Tra le tecnologie innovative, il trattamento PEF (Pulsed Electric Fields) è di notevole interesse in ambito alimentare per la sua natura non termica e la possibilità di essere utilizzato come pre-trattamento in molti processi produttivi, presentando dei miglioramenti in termini di tempi, di costi e di qualità finale dei prodotti alimentari.
Infatti, la maggior parte dei pre-trattamenti convenzionali utilizzati nell’industria alimentare prevedono la distruzione meccanica o l’utilizzo di calore (si pensi ad esempio al blanching o scottatura) che hanno lo svantaggio di causare, in molti casi, il deterioramento della qualità (si pensi a tutti i composti nutrizionali termolabili che si perdono), nonché l’elevato costo energetico
Nel settore delle tecnologie alimentari, l’applicazione del trattamento PEF irreversibile sembra mostrare notevoli vantaggi, soprattutto per quanto riguarda i processi che richiedono trasferimento di massa o calore, come ad esempio la rimozione dell’acqua nei processi di disidratazione o l’estrazione di succhi e sostanze coloranti e antiossidanti da matrici vegetali.
L’elettroporazione può facilitare i processi di estrazione, intesi sia come processi di produzione primaria (estrazione di succhi da frutta e vegetali, di olio, di zucchero dalla barbabietola o canna da zucchero), sia come processi secondari, ad esempio, per l’estrazione di composti bioattivi dagli scarti alimentari.
Numerose ricerche hanno infatti dimostrato come la tecnologia PEF può, in molti casi, ridurre i tempi di lavorazione e migliorare la resa di estrazione.